La idea de una secuela de Wolverine ambientada en Japón se remonta a 2007, cuando Gavin Hood, director de X-Men Origins: Wolverine, especuló sobre ella, y Hugh Jackman citó la miniserie de Wolverine ambientada en Japón de Chris Claremont y Frank Miller de 1982 como su historia favorita de Wolverine.

Durante el rodaje de X-Men Origins: Wolverine, Jackman le prometió a Kevin Durand que volvería como Fred J. Dukes/The Blob en la secuela como campeón de sumo de Japón, pero estos planes nunca se materializaron.

Christopher McQuarrie, guionista de The Usual Suspects, fue contratado en agosto de 2009 para escribir el guion, y Darren Aronofsky fue designado para dirigir a partir de octubre de 2010, pero se retiró en marzo de 2011 por no querer estar lejos de su familia durante un año, complicado en parte por el terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011.

Guillermo del Toro reveló que había estado interesado en dirigir la película desde que el arco japonés era su historia favorita de Wolverine, pero después de reunirse con Jackman y ejecutivos de Fox, rechazó el proyecto.

Se informó originalmente que Jessica Biel jugaría a Viper, pero las negociaciones con Fox se rompieron después de que ella negara públicamente que el papel estuviera finalizado en la San Diego Comic-Con de 2012, lo que llevó a que Svetlana Khodchenkova fuera elegida en su lugar.

Hugh Jackman comió seis comidas al día y consultó a Dwayne Johnson para obtener consejos sobre cómo aumentar masa muscular, siguiendo un régimen de ganancia de una libra a la semana al consumir 6.000 calorías diarias durante seis meses, principalmente pollo, carne de res y arroz integral.

Para la escena de la pelea en el tren bala, Weta Digital utilizó un 'método de Google Street View' con un conjunto de ocho cámaras Red Epic montadas en ángulos de 45 grados en una furgoneta conducida a 60 km/h en una autopista de Tokio, luego acelerada 10 veces para simular un tren de 300 km/h.

El Silver Samurai fue creado por Weta Digital basado en un modelo impreso en 3D y pintado con electrodeposición de cromo, con el actor de acrobacias Shane Rangi usando un traje de captura de movimiento sobre zancos para animar el personaje digital.

Un oso animatrónico de 12 pies de altura fue construido por Make-Up Effects Group para tomas de la criatura muriendo por flechas envenenadas, mientras que el oso caminante en otras escenas de Yukón fue completamente CGI creado por Weta Digital.

La escena post-créditos que presenta a Magneto y Profesor X, contribuida por Bryan Singer y Simon Kinberg, fue escrita específicamente para reintroducir el personaje de Patrick Stewart y preparar X-Men: Days of Future Past.

El compositor Marco Beltrami, que previamente compuso la música de 3:10 to Yuma de Mangold, evitó deliberadamente la música estereotipadamente japonesa a pesar de la ambientación de la película, aunque incorporó algunos instrumentos japoneses de manera no tradicional.

James Mangold reconoció posteriormente que el acto climático criticado de la película, con su intensa acción CGI, fue el resultado de la presión del estudio para competir con otros estrenos de cine de 2013 como Thor: The Dark World y Man of Steel, a pesar de su intención original de una película más pequeña e íntima.